水下采油树工厂验收测试（FA T）技术研究

郭中云，顾继俊，邱 盼，段梦兰，张 杰，苏立国，肖易萍，郭兴伟（．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京049；．海洋石油工程股份有限公司，天津30045）

水下采油树工厂验收测试（FA T）技术研究

郭中云1，顾继俊1，邱 盼1，段梦兰1，张 杰1，苏立国1，肖易萍2，郭兴伟2
（1．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2．海洋石油工程股份有限公司，天津300451）①

水下采油树的工厂验收测试（F A T）是水下采油树在正式投入使用前的一项重要测试。根据荔湾3-1气田的测试资料总结了水下采油树F A T的关键测试内容，介绍了相应的测试条件和主要测试步骤，最后通过A baqus分析测试状态下V X密封圈密封性能。结果表明：68．96 M Pa的卧式采油树在过盈量取0．4 m m的情况下满足相应的密封要求。

水下；采油树；测试

近年来，海洋油气开发主要向深海发展，而深海开发所采取的主要开发方案是水下生产系统＋生产储油轮（FPS O）；水下生产系统在其中起着至关重要的作用。水下生产设施在正式投入使用前需要进行4项基本测试，其中包括单元测试（S U T），工厂验收测试（F A T），系统集成测试（SIT）以及现场接收试验（SR T）［1］。

水下生产设施的F A T和SIT需要在专门的测试场地下进行，国外F M C、Ca meron、A ker等公司在全球范围内都有自己的F A T和SIT测试场地，如图1所示。测试场地中可进行整套水下生产设施的测试，包括水下采油树，管汇，跨接管［2］，管汇终端（P L E M）和管道终端（P L E T）［3］。

图1 Cameron利兹测试基地

水下采油树是水下生产设施中核心部件之一，主要由阀门、管线、井口连接器等组成。主要用于控制油液从井口流入或流出，同时也作为化学试剂注入口，井口调停，井口监控，安全控制和控制井口压力等，水下采油树的F A T是采油树正式投入使用前的一项重要测试。

1 水下采油树FA T方法

水下采油树拥有一套完整的F A T流程，该测试流程针对采油树内部的所有管线，包括液压管线、电路管线；阀门包括节流阀、生产阀、环空阀、控制阀；密封包括金属橡胶密封（MEC密封）、金属密封（VX密封）；关键零部件［4］包括油管悬挂器、阻塞器、采油树帽、树体、隔离短节。都需要进行FA T，以检验其是否满足相应的压力等级、密封和功能要求。

针对水下采油树各个功能和部件组成，其FA T内容主要包括：液压清洗、接口测试、阀门功能测试、线缆压力测试、连接测试、静水压测试、V X密封圈密封测试、油管悬挂器的安装测试、岩屑帽的连接测试及最终线路检测。

1．1 液压清洗

液压清洗是水下采油树正式进入测试前的重要步骤，采油树内部的管线、阀门在进行相应的测试或装配前都需要达到一定的清洁度等级。对密封要求严格的密封处或密封副清洁度等级要求更高。

1．2 水下机器人（ROV）接口测试

采油树ROV面板是ROV操作采油树的接口，ROV通过自身机械手与ROV面板接口相对接从而实现对采油树内部阀门的控制。RO V接口测试就是检验ROV机械手与采油树ROV面板接口是否能正确对接。

1．3 水下采油树阀门功能测试

水下采油树阀门可分为液压阀和手动阀2类，液压阀是通过液压动力驱动，手动阀通过RO V操作手进行操作。其中生产阀和环空阀均属于液压阀；水下安全阀（SCSSV）与化学试剂注入阀属于手动阀（CIV）。

阀门功能测试内容包括：

1） 液压阀与手动阀在常压下的启闭功能测试，并校正阀门在完全开启／关闭情况下指示杆位置是否回到‘O’和‘S’位置。

2） 液压阀与手动阀在1．5倍工作压力下的启闭功能测试，并校正阀门在完全开启／关闭情况下指示杆位置是否回到‘O’和‘S’位置。

3） 手动阀的启闭转矩值检验，校正阀门启闭转矩值是否在正常范围内，且不能超过规定最大转矩值。

1．4 水下采油树控制线压力测试

控制线缆（Control Line）是连接采油树体中控制阀门的液压线，在实际工作中需要承受较大的工作压力，FA T测试中需要检验其承压能力，测试压力为工作压力的1．5倍。采油树中的控制线缆包括水下安全阀、内压控制阀（ICV）所对应的控制线缆等。控制线缆的测试步骤如下（以SCSS V控制线缆压力为例，测试示意图如图2）。

1） 开启SCSS V阀门，并将测试软管接头连接到虚拟SC M面板上的SCSS V接口处，旋转拧紧接头，通过液压动力单元向SCSS V控制线缆通入测试液，检验整条线缆的流通性。

2） 关闭SCSS V阀，整个阀门设置如图2所示，通过液压动力单元向SCSS V控制线缆中加压至工作压力的0．75倍，并保压3 min。

3） 第一次压力测试结束后，再次加压至工作压力的1．5倍，并保压15 min。完成测试后将压力降为0，并观察SCSS V控制线缆是否有可视泄漏。

4） 对ICV控制线缆重复进行以上测试。

图2 SCSS V控制线缆压力测试示意

1．5 水下采油树供给线压力测试

供给线缆（SupplyLine）是采油树的“生命线”，它包括化学试剂注入线（CI），甲醇注入阀（MIV）供给线和低压供给线（LP）高压供给线（HP）。在供给线缆的FAT中最大测试压力需达到工作压力1．5倍。以MIV线为例，如图3所示，步骤如下：

1） 开启阀门MIV和生产主阀（PMV），关闭转换阀（XOV）、CIV和生产翼阀（PWV），并将测试软管接头连接到虚拟水下控制模块SC M面板上的MIV接口处，旋转拧紧接头，通过液压动力单元向MIV控制线缆通入测试液，检验整条线缆的流通性。

2） 开启阀门MIV，关闭阀门PMV，XOV，CIV和PWV，整个阀门设置如图3所示。对MIV供给线缆进行压力测试。

3） 对LP1，HP1，LP2，HP2，CI供给线缆分别进行以上测试。

图3 MIV线缆压力测试示意

1．6 井口连接器功能测试

采油树井口连接器（如图4）用于连接采油树和井口并将采油树锁紧到井口。井口连接器的FAT包括以下几个步骤：

1） 下放井口连接器到采油树测试桩，通过采油树测试桩（如图4）提供压力锁紧井口连接器并记录锁紧压力。

2） 解锁井口连接器，记录解锁压力，检查井口连接器内部密封是否完整。

3） 提升采油树到采油树测试桩与井口连接器连接并锁紧，记录锁紧压力。

4） 解锁井口连接器，记录解锁压力，提升采油树到采油树检测台，检查采油树内部密封是否完整。

图4 井口连接器与测试桩

1．7VX密封圈功能测试

V X密封圈是采油树内部最重要的密封圈之一，它是井口、采油树、隔离短节之间的主要密封处，在采油树正常工作过程中也起着至关重要的作用。V X密封圈测试需要采油树与隔离短节和虚拟井口连接后再进行，测试主要通过密封圈测试阀（GTV）与密封圈释压阀（GR）协作完成。通过GT V向密封圈处加压，最大压力为工作压力的1．5倍并保压，完成测试后，将压力降为0，检查是否有泄漏。

1．8 油管悬挂器的连接测试

油管悬挂器连接测试是检验油管悬挂器与采油树树体是否正确安装，并通过采油树内部通道检验油管悬挂器的两处M E C密封是否正常。

1．9 岩屑帽的连接测试

采油树岩屑帽用于保护采油树树体，防止外部岩石或碎屑进入采油树树体内部。采油树岩屑帽的连接测试主要是检验岩屑帽与采油树树体顶部是否正确连接，如图5所示。

图5 岩屑帽连接示意

1．10 最终线路检查

在所有线缆都进行完压力测试后，需要对线缆进行连通性检验，保证所有线缆在测试过程中没有受到损坏，最后再将所有的测试结果填写进F A T测试报告中。

在进行完以上所有测试且满足测试要求的采油树就通过了所有的F A T流程，然后再将采油树运送到SIT测试场地进行SIT测试。

2 测试状态下V X密封圈有限元分析

V X密封圈对下与井口实现井口密封，对上与树体实现采油树树体的密封，在整个采油过程中起着“承上启下”的作用。V X密封圈采取双锥面密封，材料采用奥氏体不锈钢316L［5］，VX密封圈结构和密封原理分别如图6～7所示。

图6 VX密封圈

图7 VX密封圈测试原理

VX密封圈在测试过程中分2个工作状态［6］：

1） 预紧状态。该状态下V X密封圈的密封面1与采油树体进行过盈配合实现密封面1与采油树体的密封；密封面2与井口过盈配合实现密封面2与井口的密封。

2） 测试状态。测试过程中由测试通道通入测试介质对VX密封圈进行测试如图7所示，该状态下V X密封圈内表面受到1．5倍工作压力大小的测试压力［7］，在A baqus下对以上步骤分析如下。

整个模型是旋转周期模型，只取模型的1／4进行分析。三种模型的材料属性如表1。树体与井口网格划分采用C3D8 R单元，V X密封圈采用C3D8I单元，最终网格划分效果如图8。

表1 V X密封圈材料性能

图8 V X密封圈在　A baqus中的分析模型

采用过盈配合方式实现VX密封圈与树体和井口的预紧［8］，取过盈量Δ＝0．4mm进行分析；测试状态下，取测试压力为103．45MPa。最终得到VX密封圈在预紧状态和测试状态下的应力云图分别如图9～10所示。

图9 预紧状态下的应力分布

由GB／T150—2010［9］查得，68．96 M Pa的采油树VX垫片达到密封的比压为u＝179．5MPa。由图9可知，在预紧状态下VX密封圈的密封面最小应力为253 MPa＞密封比压力u，所以在过盈量Δ ＝0．4 mm时，VX密封圈满足密封要求；在测试状态下V X密封圈密封面的最小应力为204 M Pa＞密封比压力，所以在1．5倍工作压力下密封圈密封面仍满足密封要求。

3 结论

针对水下68．96 M Pa卧式采油树测试相关要求，结合荔湾3-1采油树相关测试材料，对采油树F A T内容作出了总结和关键步骤介绍，并通过A baqus对采油树内部VX密封圈在测试条件下进行分析，结果证明该VX密封圈与树体在过盈量Δ ＝0．4m m情况下，施加1．5倍工作压力的测试压力，密封圈仍然满足密封要求。

［1］ 梁稷，姚宝恒，曲有杰，等．水下生产系统测试技术综述［J］．中国测试，2012（1）：38-40．

［2］ 韩峰，董楠，段梦兰，等．水下跨接管与管道终端测试技术研究［J］．石油矿场机械，2012，41（07）：1-6．

［3］ Chen B，Duan M．Testing technology of subsea christ-mas tree［J］．M anufacturing Engineer-ing and A uto ma-tionⅡ．2012（591-593）：2523-2526．

［4］ 刘卓，张宪阵，肖易萍，等．水下采油树关键部件F A T测试技术研究［J］．中国测试，2014（2）：5-8．

［5］ 中国海洋石油总公司．深水工程手册［M］．北京：石油工业出版社，2010．

［6］ 陈晓芳，赵宏林，罗晓兰，等．水下卧式采油树井口连接器V X钢圈力学特性研究［J］．石油机械，2014（8）：62-67．

［7］ 赵三军，段梦兰，林建国，等．深水套筒式连接器力学与结构参数分析［J］．石油矿场械，2014，43（6）：14-17．

［8］ 李毅．基于A B A Q U S的过盈配合有限元数值仿真［J］．制造业自动化，2012（8）：148-150．

［9］ G B 150—2010．固定式压力容器［S］．

Research on the Factory Acceptance Testing of Subsea Christmas Tree

GUO Zhongyun1，G U Jijun1，QIU Pan1，D U A N M englan1，ZHANG Jie1，S U Liguo1，XIAO Yiping2，G U O Xing wei2
（1．O ffshore Oil／Gas Research Center，China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China；2．O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300451，China）

The factory acceptance testing of subsea Christmas tree is an im portant test before put-ting into use．According to the test data of Liwan 31 gas field，the key test content，test require-ment and main test step are su m marized in this paper，then the sealing performance of V X gasket through the abacus software is analyzed．T he results show that the 68．96 MPa horizontal Christ-mas tree satisfies the sealing performance with the set of the interference of 0．4 mm．

under water；christmas tree；tesing

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．005

1001-3482（2015）06-0021-05

①2014-12-08

国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011Z X0527-004）

郭中云（1990-），男，重庆云阳人，硕士研究生，主要从事水下采油树测试工艺的研究，E-mail：guozhongyun11＠163．co m。